焊接原理PPT电子教案课件-第四章 熔池凝固及焊缝固态相变.ppt

* 第四章 熔池凝固及焊缝 固态相变 熔焊时，在高温热源作用下，母材发生局部溶化，并与溶化了的焊丝金属搅拌混合形成焊接熔池。发生冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属开始凝固。 熔池凝固过程对焊缝金属的组织和性能具有重要影响： ① 由于冶金条件和冷却条件的差异，焊缝组织差异 大； ② 产生各种缺陷： 晶体缺陷：点缺陷－空位、间隙原子； 面缺陷－界面； 线缺陷－位错 组织性能缺陷：气孔、裂纹、夹渣、偏析 焊缝生长 (1) 在母材的半熔化晶粒表面进行 (2) 熔池的体积小（最大体积30cm3) 冷却速度大 (4~100℃/Sec ) 温差大 (TMax =2800℃, TS = 1350℃) 组织特点：易产生脆硬组织和裂纹; 组织细小致密。 (3) 熔池中的液态金属处于过热状态 元素烧损严重；异质形核少——柱状晶 (4) 熔池在运动状态下结晶——搅拌强烈 第一节 熔池凝固 一.熔池的凝固 凝固特点 2. 凝固过程 （1）形核:可分为自发形核和非自发形核。 晶核的形成和长大需要一定的能量，该能量由两部分所组成: ① 体积长大使体系自由能下降； ② 产生新的固相表面使体系自由能增高。 设形成的晶核，或在某现成表面上长出一块小长方体，每边长为a, 高度为b，如图4-1所示。总的自由能变化分别为： ?F1= -a2b×?fv+(4ab+2a2)×SE ?F2= -a2b×?fv+4ab×SE 式中，?fv—单位体积内两相间的自由能差值； SE—比表面能。 可以看出：晶核从现成表面上生长使自由能的升高要比直接从熔池中形核所增加的自由能小 2a2SE 。 ——长大比形核所需的过冷度要小 焊缝金属开始凝固时并不形核，而是在母材基体上联生长大。焊接熔池的结晶主要非自发形核。 图4-1 形核及生长对体系表面内的影响 （2）晶核长大： 按照传热学理论： ① 熔池散热沿等温面的外法线方向最快（dT/dr最大）； ② 奥氏体晶粒生长最快的方向是100晶向； ③ 当dT/dr与100方向一致时，晶粒生长最快，抑制了方向不一致的晶 粒的生长，一直长到焊缝中心相交为止。——焊缝柱状晶的选择长大。 从统计学角度： 晶粒生长方向垂直于熔池等温面，自下而上、由外及里生长成柱状晶。 自发形核就依附在母材金属的半熔化晶 粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长。联生结晶（交互结晶）。如图4-2示。 熔合区 母材 焊缝 图4-2 熔合区母材晶粒上成长的柱状晶 图4-3 3 熔池结晶线速度 熔池结晶方向和速度对焊接质量影响很大，特别对气孔、裂纹、夹渣等缺陷的形成影响很大。 设在dt时间内，电弧移动dx，晶粒生长长度ds。 任一个晶粒主轴，在任一点 A的成长方向是A点的切线 （S--S）。如图4-3示。 图4-3 令 式中 : R—晶粒成长的平均线速度； v —焊接速度； θ—νc与v方向之间的夹角。 结论：（1）熔池结晶以柱状晶方式生长： 熔池两侧：θ→90o,R →0 熔池中心：θ→0o, R→v 熔池两侧 →熔池中心：R逐渐增大 （2）大电流快速焊时，在焊缝中心容易形成脆 弱的对接面。产生裂纹和偏析缺陷。 ——焊接速度和焊接电流要适中，不能太大。 焊接奥氏体钢和铝合金时，宜用小的焊接速度进行焊接。 焊接速度 与柱晶形态 焊接速度快